El helicóptero de la NASA hace historia en Marte convirtiéndose en el primer vehículo que vuela en otro planeta

Ayer, el Ingenuity se elevó de la superficie marciana, poniendo en marcha una nueva era de exploración planetaria.

Publicado 20 abr 2021 11:49 CEST
El helicóptero Ingenuity

El helicóptero Ingenuity capturado en esta imagen de su sombra cuando volaba a unos tres metros sobre la superficie marciana durante su primer vuelo.

Fotografía de NASA

Ayer lunes, un pequeño helicóptero abrió un nuevo capítulo de la exploración espacial cuando se elevó de la superficie de Marte y logró el primer vuelo propulsado de la humanidad en otro planeta. El vehículo de 48 centímetros de alto, llamado Ingenuity, levantó un poco de polvo rojizo mientras se elevaba a unos tres metros, se sostenía en el aire, giraba ligeramente y volvía al suelo poco a poco. El vuelo solo duró unos 40 segundos, pero representa uno de los hitos de ingeniería más audaces de la historia.

«Mucha gente pensaba que era imposible volar en Marte», cuenta MiMi Aung, directora del proyecto del Ingenuity en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por sus siglas en inglés) de la NASA. «Hay muy poco aire».

 

La atmósfera rala de la superficie de Marte equivale a una altitud de unos 30 500 metros en la Tierra, mucho más alto de lo que puede volar la mayoría de los helicópteros. El vuelo en helicóptero a más altitud de la historia tuvo lugar en 1972, cuando el aviador francés Jean Boulet voló a 12 442 metros de altura en una base aérea al noroeste de Marsella.

El helicóptero marciano sufrió un revés el 9 de abril, cuando el ordenador a bordo de la nave se apagó antes de tiempo durante una prueba para girar los dos rotores a alta velocidad. Tras revisar los datos, el equipo del JPL ajustó la secuencia de órdenes que se envía a la nave para encender los rotores, permitiendo que completara una prueba de giro a alta velocidad el 16 de abril. Y a las 9:34 (en hora española peninsular) del lunes 19 de abril —a media tarde en hora marciana local— el helicóptero logró completar su primer vuelo.

En el futuro, máquinas voladoras similares podrían explorar zonas nuevas para róveres y astronautas, tomar muestras en lugares difíciles de alcanzar y atravesar decenas de kilómetros en el transcurso de varios días para ofrecernos una nueva perspectiva del paisaje marciano.

El Ingenuity, que solo pesa 1,8 kilogramos en la Tierra y 680 gramos en Marte, ha funcionado por sí solo desde el 3 de abril, cuando el róver Perseverance lo depositó en una zona llana y despejada. Un pequeño panel solar adaptado a los niveles relativamente bajos de luz carga las baterías de helicóptero durante el día y los calentadores eléctricos impiden que el vehículo se enfríe durante las noches, cuando las temperaturas pueden desplomarse a -90 grados Celsius.

El róver Perseverance de la NASA se sacó un selfi en Marte con el helicóptero Ingenuity el 6 de abril. A continuación, el Perseverance condujo hasta un mirador a unos 60 metros para observar el intento de vuelo del Ingenuity.

Fotografía de NASA/JPL-Caltech/MSSS

Para lograr esta breve incursión en la atmósfera marciana, el pequeño giroavión contaba con un procesador diminuto como el de los teléfonos móviles, las tecnologías de navegación de los coches autónomos, ocho baterías de iones de litio y materiales compuestos ligeros. Sus dos rotores de fibra de carbono, que tienen un diámetro de 1,2 metros, tuvieron que girar a unas 2500 rotaciones por minuto —casi cinco veces la velocidad del rotor de un helicóptero normal— para levantarse de suelo.

Ahora que el Ingenuity ha emprendido su primer vuelo, el equipo puede planificar el segundo, en el que probablemente realizarán la misma maniobra de vuelo sostenido, pero a más altura y durante más tiempo. Se encuentran a la mitad de un periodo de 31 días para probar el helicóptero, utilizando el Perseverance como relé de comunicaciones a la Tierra antes de que el róver comience su búsqueda de vida pasada en Marte. Está previsto realizar hasta cinco vuelos que culminarán en un viaje de ida y vuelta por una zona de vuelo de 15 metros de largo.

«Te deja boquiabierto», dice Thomas Zurbuchen, administrador adjunto de ciencia de la NASA, «volar un helicóptero en Marte por primera vez en la historia».

«Que no vuelvan a decirme que no es posible»

En 2015, el equipo del helicóptero marciano estaba preparando una presentación para solicitar fondos en la sede central de la NASA con el fin de construir un prototipo conocido como «vehículo de reducción de riesgos». Ya habían volado —y estrellado— un modelo a un tercio de la escala en una cámara de vacío del JPL. Para estas pruebas, la cámara se llenó con dióxido de carbono y se indujo una baja presión para reproducir la atmósfera de Marte.

Mientras Aung se preparaba para la presentación, se le ocurrió algo. Los humanos no podían controlar este helicóptero directamente porque volaría a millones de kilómetros en otro planeta y existe un retraso de comunicación de unos 15 minutos entre la Tierra y Marte. El vehículo tendría que volar solo, para lo que habría que desarrollar un ordenador ligero capaz de evaluar rápidamente la posición de la aeronave y ajustar los rotores.

Los miembros del equipo del Ingenuity inspeccionan el helicóptero dentro del Simulador Espacial, una cámara de vacío de más de siete metros de diámetro en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, el 1 de febrero de 2019.

Fotografía de NASA/JPL-Caltech

«Todo depende de lo rápido que puede reaccionar el vehículo a una perturbación», afirma Aung. El helicóptero se enfrentaría a ráfagas de viento de hasta 35 kilómetros por hora, así como a cambios de presión que dificultarían mantener el vuelo estable en el aire enrarecido.

Pero era un problema que Aung sabía que su equipo podía resolver. El modelo a un tercio de la escala total ya había demostrado que la propulsión era posible en Marte, y Aung, que es ingeniera eléctrica especializada en tecnologías autónomas, sabía que la electrónica del siglo XXI había avanzado lo suficiente para construir un ordenador pequeño que pudiera volar el helicóptero.

«Tras aquel momento, fue como: “Que no vuelvan a decirme que no es posible”», dice Aung. «¿Qué nos lo impide?».

Con todo, para convencer a la sede de la NASA hizo falta más que una presentación. La agencia financió el prototipo, que se sometió a una serie de pruebas en 2016. La primera consistía simplemente en sostener el vehículo en el aire dentro de la cámara de vacío, girar los rotores y medir el par de torsión y la propulsión para garantizar que los cálculos coincidían con los modelos del equipo.

Con todo, cuando se mantuvo el prototipo en su lugar, las fuerzas de sus rotores podían interactuar con el suelo y el banco de pruebas. Dicha interacción produjo vibraciones que podían afectar a los sistemas de control del vehículo y hacer que se rompiera en pedazos, el mismo efecto que hace que los helicópteros de tamaño real se rompan cuando tratan de despegar.

«Teníamos mucho que perder», afirma Aung. «Si se rompía así en cualquier momento, podría haber sido cancelado». Aunque el programa prosiguió, una prueba fallida a estas alturas podría haber impedido que el equipo terminara el helicóptero a tiempo para volar en el róver, cuyo lanzamiento estaba programado durante una alineación planetaria de la Tierra y Marte en julio de 2020. «El Perseverance se iría con o sin nosotros».

El 29 de abril de 2020, los ingenieros de la NASA prepararon el róver Perseverance para su viaje de 480 millones de kilómetros hasta la superficie de Marte. Se puede ver la parte inferior del róver Perseverance, así como el helicóptero Ingenuity conectado a él (en torno al centro de la imagen).

Fotografía de NASA/JPL-Caltech

La prueba fue bien y los cálculos coincidieron. El prototipo era capaz de volar, sostenerse en el aire, girar y aterrizar en la cámara de vacío, demostrando que tanto la propulsión como el vuelo controlado de forma autónoma eran posibles en Marte.

«Habíamos solucionado el reto de la aerodinámica», recuerda haber pensado entonces el ingeniero jefe del Ingenuity, Bob Balaram. «Ahora teníamos que construir el resto de la nave».

Fibra de carbono y sedal

La masa es la enemiga del vuelo, sobre todo en Marte. Cada gramo de más en el helicóptero Ingenuity aumentaba la cantidad de propulsión e impulso que tenían que producir los rotores.

«Tenía que ser muy ligero», explica Teddy Tzanetos, vicedirector de operaciones del helicóptero. «El Ingenuity pesa 1,8 kilogramos y fue un hito de la ingeniería introducir todo lo que necesitábamos en esos 1,8 kilogramos».

El escudo que protegía el helicóptero Ingenuity fue liberado de debajo del róver Perseverance el 21 de marzo de 2021, el trigésimo día marciano, o sol, de la misión. Después, el helicóptero se daría la vuelta para desprenderse de la parte inferior del róver.

Fotografía de NASA/JPL-Caltech/MSSS

Gran parte del helicóptero, incluyendo los rotores, las patas de aterrizaje y el fuselaje (una cajita que contiene los componentes electrónicos), fue construido por AeroVironment, un contratista aeroespacial con sede en Simi Valley, California. La empresa construye drones militares, así como naves experimentales para la NASA, como el ala voladora Helios, que funciona con energía solar y que, a diferencia de los helicópteros, ha volado a 30 000 metros de altura.

Los dos rotores de fibra de carbono del Ingenuity giran en direcciones opuestas, cancelando el par de torsión que voltearía el helicóptero si solo tuviera un rotor. (En un helicóptero convencional, el rotor de la cola se emplea para contrarrestar el par de torsión del rotor principal.) Estos rotores no solo debían ser excepcionalmente ligeros, sino también muy rígidos para impedir que dieran coletazos y alteraran la circulación del aire.

Las patas de aterrizaje, que también están hechas de fibra de carbono, presentaban otro «reto interesante», cuenta Ben Pipenberg, ingeniero aeromecánico de AeroVironment que ha estado trabajando en el helicóptero marciano desde el comienzo del programa.

«En Marte, la gravedad es casi un tercio de la de la Tierra y hay que tener mucho cuidado para no rebotar al aterrizar», señala. Las patas también tenían que plegarse de tal forma que el Ingenuity encajara a la perfección en la parte inferior del Perseverance para el vuelo a Marte. «Si fracasara así, sería desafortunado: o que las patas no se abran al intentar separarse del róver o que, tras aterrizar, rebote y se dé la vuelta».

El helicóptero Ingenuity de la NASA en la superficie de Marte. La Mastcam-z, un par de cámaras con zoom a bordo del róver Perseverance, sacó esta foto el 5 de abril.

Fotografía de NASA/JPL-Caltech/ASU

La poca gravedad de Marte también planteó otros retos, como el hecho de que no puede simularse a la perfección en la Tierra. En 2018 se probó una copia exacta y completa del helicóptero Ingenuity en la cámara de vacío del JPL. El equipo podía drenar la presión atmosférica y bombear los gases adecuados para crear el tipo de aire presente en Marte, pero no hay forma de ajustar la gravedad. Para compensarlo, el equipo empleó lo que denominan sistema de descarga de gravedad.

«Te lo puedes imaginar como un carrete de pesca con un sedal fijado, un motor y un sensor de par de torsión muy preciso», afirma Tzanetos. El sedal se fijó al helicóptero con un «nudo muy seguro atado, con varios nudos como refuerzo», y el carrete de precisión tiró del helicóptero para imitar la baja gravedad de Marte.

También sometieron un segundo prototipo completo a una prueba ambiental, demostrando que era capaz de sobrevivir a las vibraciones del lanzamiento de un cohete y las gélidas temperaturas de la noche marciana. Para principios de 2019, el equipo había construido el helicóptero que volaría a Marte, probando sus capacidades de vuelo dos veces en la cámara de vacío.

«La próxima vez que volemos, volaremos en Marte», dijo Aung después de las pruebas.

«Cientos de helicópteros sobrevolando Marte»

Ahora que el Ingenuity ha llevado a cabo su primer vuelo, la humanidad está un paso más cerca de convertir el vuelo en una parte normal de la exploración planetaria. «Mi sueño es que los vehículos aéreos se conviertan en la norma para explorar el espacio», dice Aung.

Orville Wright logra el primer vuelo propulsado y controlado en la Tierra mientras su hermano Wilbur lo observa en esta imagen sacada en Kitty Hawk, Carolina del Norte, el 17 de diciembre de 1903. Orville Wright recorrió 36,5 metros en 12 segundos durante el primer vuelo. Los hermanos Wright realizaron cuatro vuelos aquel día, cada uno más largo que el anterior. Una pequeña cantidad de la tela que cubría el ala del avión se trasladó a Marte a bordo del helicóptero Ingenuity de la NASA.

Fotografía de NASA

El equipo considera el Ingenuity el equivalente en aeronave al róver Sojourner, que se convirtió en el primer vehículo que circuló sobre Marte en 1997. Al igual que el Ingenuity, el Sojourner fue transportado a Marte por una nave más grande, el aterrizador Mars Pathfinder.

«A la comunidad científica no le gustó», cuenta Zurbuchen sobre el Sojourner. «Decían que ya podíamos hacer todo lo que queríamos con los aterrizadores».

Menos de 25 años después, la NASA no tiene uno sino dos róveres del tamaño de un coche explorando la superficie de Marte. Tanto el róver Curiosity, que aterrizó en 2012, como el Perseverance están desentrañando la singular historia geológica del planeta y buscando señales de vida pasada. El Perseverance también está preparándose para tomar la primera muestra de roca marciana que volverá a la Tierra, que sería crucial para saber si Marte estuvo habitado en algún momento.

Los futuros helicópteros podrían hacer las veces de exploradores para los róveres y, a la larga, para los humanos, y podrían estudiar zonas a las que los róveres y las personas no pueden llegar: cañones profundos como Valles Marineris, que abarca más de 4000 kilómetros, o las empinadas laderas de Olympus Mons, que mide casi 2,5 veces más que el Everest.

«Yo imagino cientos de helicópteros sobrevolando Marte», afirma Charles Elachi, director del JPL entre 2001 y 2016 que supervisó el comienzo del programa de helicópteros en Marte. «Me imagino una de las futuras misiones en las que tendremos un aterrizador, decenas de helicópteros a bordo y estos helicópteros volarán y abarcarán una gran región y traerán muestras».

Los equipos del JPL ya están planteándose helicópteros más grandes, cuenta Elachi, que podrían transportar cargas más pesadas y estudiar zonas más amplias. «Ahora los róveres pueden recorrer varios kilómetros en un año, pero un helicóptero podría recorrer varios kilómetros en un día», explica. «La posible carga útil es enorme».

Por ahora, el equipo peinará los datos del primer vuelo para planificar los vuelos futuros del Ingenuity y quizá se planteen el futuro de las máquinas voladoras en otros mundos. «Debería convertirse en lo normal enviar una aeronave para volar allí donde podamos volar, donde haya atmósfera», dice Aung.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.
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